In den letzten Jahren haben zwei Spitzentechnologien schnell an Dynamik gewonnen: quantenverschränkte Lichtquellen und die ultraschnelle stimulierte Raman-Spektroskopie.
Die Quantenverschränkung ist ein einzigartiges Phänomen, das auf den Prinzipien der Quantenmechanik beruht, bei der Teilchen über große Entfernungen hinweg sofortige Korrelationen aufweisen. Dieses Feld hat in der Quantenkommunikation, der Quantensensorik und der Quanteninformatik große Aufmerksamkeit erregt und wurde 2022 sogar mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Im Gegensatz dazu ist die stimulierte Raman-Spektroskopie eine moderne Analysemethode zur Untersuchung molekularer Schwingungseigenschaften und Wechselwirkungen und bietet wertvolle Einblicke in die Feinstruktur von Molekülen. Ihre Anwendungsmöglichkeiten erstrecken sich über verschiedene Bereiche, darunter chemische Analyse, biomedizinische Forschung, Materialwissenschaften und Umweltüberwachung.
Durch die Kombination dieser beiden Techniken entsteht ein außergewöhnlich leistungsfähiges Analysetool zum Studium komplexer molekularer Materialien.
In einem neues Papier veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und AnwendungenEin Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Zhedong Zhang und Professor Zhe-Yu Ou vom Department of Physics der City University of Hong Kong in Hongkong, China, entwickelte eine mikroskopische Theorie für die ultraschnelle stimulierte Raman-Spektroskopie mit Quantenlichtfeldern.
Diese innovative Technik nutzt die Quantenvorteile verschränkter Photonenquellen, um sowohl die zeitliche als auch die spektrale Auflösung spektroskopischer Signale zu verbessern. Darüber hinaus ermöglicht sie die „Hochgeschwindigkeitsbildgebung“ ultraschneller Prozesse, die in molekularen Systemen stattfinden. Dieser Artikel soll den Lesern dieses bahnbrechende Konzept Schritt für Schritt näherbringen.
Was ist stimulierte Raman-Spektroskopie?
Die stimulierte Raman-Streuung ist als Mitglied der Raman-Prozessfamilie ein typisches Phänomen bei Mehrphotonen-Wechselwirkungen und eng mit Quantenlichtfeldern verknüpft. Sie basiert auf der Wechselwirkung zwischen einfallendem Licht und Probenmolekülen, die zu einer Frequenzverschiebung des gestreuten Lichts führt. Bei diesem Prozess kommt es zu einem Energietransfer zwischen einfallendem Licht und Molekülen, wobei die Frequenzverschiebung des gestreuten Lichts mit den molekularen Schwingungsenergieniveaus korreliert.
Der entscheidende Durchbruch der stimulierten Raman-Spektroskopie liegt in ihren ultraschnellen Verarbeitungsfähigkeiten. Die herkömmliche Raman-Spektroskopie erfordert eine beträchtliche Datenerfassungszeit, während die stimulierte Raman-Spektroskopie ultrakurze Laserimpulse verwendet, um schnell einen umfangreichen Satz von Datenpunkten zu erfassen und so den schnellen Abruf wichtiger molekularer Informationen zu ermöglichen.
Warum quantenverschränkte Photonenquellen?
Quantenverschränkte Photonenquellen sind eine wichtige Komponente bei der stimulierten Raman-Streuung, einem Zwei-Photonen-Prozess. Diese Quellen liefern Paare verschränkter Photonen, die bei Wechselwirkung mit Materie eine stimulierte Raman-Streuung auslösen.
Darüber hinaus besitzen quantenverschränkte Photonenquellen nichtklassische Eigenschaften, wie Korrelationen zwischen Photonenpaaren hinsichtlich Zeit, Frequenz oder Polarisation. Dies durchbricht die Beschränkungen, die klassisches Licht mit sich bringt, und verbessert tatsächlich die Frequenz und zeitliche Auflösung spektroskopischer Signale erheblich.
Die Autoren heben mehrere Vorteile der Verwendung verschränkter Photonenquellen hervor und geben an, dass Moleküle aktiv als Strahlmischer für Raman-Pump- und Sondenfelder dienen, anstatt nur als passive Strahlteiler für die Lichtstreuung zu wirken.
Durch Nutzung der Verschränkung erzielt die quantenmechanisch stimulierte Raman-Spektroskopie ein superaufgelöstes Spektrum mit Zeit-Frequenz-Skalen jenseits klassischer Grenzen. Darüber hinaus führt die Mehrphotonen-Quanteninterferenz zu einer beispiellosen Selektivität in spektroskopischen Signalen, was selektive Übergangspfade zu molekularen Korrelationsfunktionen ermöglicht.
„Hochgeschwindigkeitskamera“ für Moleküle
Bestimmte molekulare Systeme zeigen ultraschnelle Prozesse wie Elektronentransfer und Energieumverteilung, die im Femtosekunden-Zeitraum (10-15 Sekunden) ablaufen. Das Verständnis dieser schnellen Bewegungen ist für die Weiterentwicklung von Bildgebungsgeräten, Energieumwandlung und Quantencomputern von entscheidender Bedeutung. Die Untersuchung dieser ultraschnellen Prozesse wurde jedoch durch Einschränkungen bei Zeit- und Energieskalen behindert.
In dieser Studie können Forscher bestimmte Parameter nichtlinearer Prozesse (wie die spektrale Breite des Pumplichts und die Dicke des nichtlinearen Kristalls) anpassen, um verschränkte Photonenpaare mit Korrelation auf Femtosekundenebene zu erzeugen und gleichzeitig ihre Energie- (Frequenz-)Korrelationen beizubehalten.
Diese erzeugten Photonenpaare erfüllen die für die stimulierte Raman-Streuung erforderlichen Energieübertragungsbedingungen. Wenn dieser Energieübertragungsprozess an die ultraschnellen Prozesse gekoppelt wird, die in photonenempfindlichen Molekülen ablaufen, erscheint das entsprechende Signal, das die Informationen des Prozesses enthält, in den Spektren und ermöglicht so die Hochgeschwindigkeitsbildgebung von Molekülen.
Ausblick der Quantenspektroskopie
Zukünftige Fortschritte in der Quantenspektroskopie werden voraussichtlich zu tiefgreifenden Durchbrüchen auf dem Gebiet der Quantenphysik und der Quantenkontrolle bei Raumtemperatur führen. Diese Fortschritte werden auch die Entwicklung effizienterer und stabilerer Technologien zur Erzeugung von Quantenlichtquellen vorantreiben und Bereichen wie optischer Kommunikation, Quantencomputern und Quantensensorik neue Vitalität verleihen.
Darüber hinaus wird erwartet, dass die hocheffizienten und präzisen Methoden zur Spektralmessung und -analyse, die aus der Quantenspektroskopie abgeleitet werden, in verschiedenen Bereichen eine zentrale Rolle spielen werden, darunter in der Materialwissenschaft, bei chemischen Reaktionen und in der biomedizinischen Forschung. Diese Forschung bietet nur einen kleinen Einblick in das Potenzial der Quantenspektroskopie.
Durch den Einsatz dieser Technik können tiefere Einblicke in die Molekülstrukturanalyse und dynamische Beobachtung gewonnen und so bedeutende Fortschritte in verwandten Bereichen erzielt werden.
Mehr Informationen:
Jiahao Joel Fan et al, Verschränkte Photonen ermöglichten ultraschnelle stimulierte Raman-Spektroskopie für die Molekulardynamik, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01492-4